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深海魚類演化超級視力 原因:擁更多感光蛋白基因

2019/5/10 — 17:02

圖片來源:rfedortsov_official_account instagram

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當一些洞穴魚或蟋蟀的祖先遷至漆黑環境居住,其後代因要適應新環境,眼睛逐步退化,甚至消失。然而,在太陽光無法穿透的深海環境下,生物卻演化出不同與光有關的特徵,例如有發光細菌、蝦與八爪魚,亦有一些如黑銀眼鯛 (Diretmus argenteus) 擁有極大的眼睛。最新刊於《科學》的研究顯示,部份擁有超級視力的深海魚類,演化出比正常多的桿狀視蛋白 (opsins) 編碼基因,讓其可在黑暗中捕捉多個波長光源的幾乎所有光子。

未有參與研究的夏威夷大學演化生物學家 Megan Porter 指,研究動搖過去的深海視力學說基礎。學界此前觀察到居於越深位置的海魚,視力系統就越簡單,因此認定在海洋最深處出現的魚類視力系統是最為簡單。

為了解魚類如何在深海中偵測到大部份有脊椎動物都無法接受到的微弱生物光源,瑞士巴塞爾大學演化生物學家 Walter Salzburger 的團隊搜集了 101 種深海魚,並排序其視蛋白胺基酸作進一步分析。

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視蛋白胺基酸排序會改變生物可接收到的光波長度,因此擁有多種不同視蛋白就可以看到更多顏色。其中一種視蛋白 RH1 會提供重要的低光視力;在人類視桿細胞 (rod cells) 中, RH1 則助人類在黑暗中看到黑與白。

團隊發現大部份深海魚均只有 1 或 2 個 RH1 ,與其他有脊椎動物相似,但其中四種則有異常多的 RH1 ,這些魚包括兩種洞鰭鯛魚、燈籠魚以及鞭尾魚,全部均有至少 5 個 RH1 基因,而其中一種洞鰭鯛魚黑銀眼鯛甚至有 38 個基因,這亦是從未於其他有脊椎動物視力系統中見過。

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團隊再深入調查其中 36 種魚的基因活動,確認多餘 RH1 基因並非毫無用處。團隊最終發現一條於海底 2,000 米捕捉的成年黑銀眼鯛有 14 個 RH1 基因有活動。

而透過分析胺基酸排序,團隊可以預測該魚對哪些波長的光最為敏感。他們的結果顯示,單是洞鰭鯛魚就有 24 個基因突變改變其 RH1 蛋白,微調其看到的藍、綠光範圍,這類光線都是其他深海生物能發出的光線波長。據有參與研究的美國行為生態學家 Gil Rosenthal ,部份視蛋白可能被調至偵測指定的與食物、危險、社交有關的生物光源。

另外,該四種深海魚均來自魚類演化樹上的三個不同分支,團隊因此推斷深海魚的超級視力來自獨立、重覆性演化,同時亦顯示當生物居於極端黑暗環境下,需承受極端天擇壓力,並演化出更好的視力。

洞鰭鯛魚擁有大量視蛋白,也可幫助解釋其特別視網膜結構的形成。這些物種的部份視桿細胞比正常長,而且很多都會壘成多於一層,有異於正常其他有脊椎動物,這兩種特徵相信都增強洞鰭鯛魚感測到光子的能力。

來源:
Science, In the deep, dark ocean fish have evolved superpowered vision, 9 May 2019

報告:
Musilova, Z., Cortesi, F., Matschiner, M. & et al. (2019). Vision using multiple distinct rod opsins in deep-sea fishes. Science 10 May 2019: Vol. 364, Issue 6440, pp. 588-592. DOI: 10.1126/science.aav4632

文/Alan Chiu 、審核/Edward Ho

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